光纖習(xí)習(xí)題解答

1、1. 一根數(shù)值孔徑為的階躍折射率多模光纖在850nm波長(zhǎng)上可以支持1000個(gè)左右的傳播模式。試問(wèn)：（a） 其纖芯直徑為多少（b） 在1310nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模式（c） 在1550nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模式解：（a），而從而得到纖芯半徑：a=V/（）=m，則直徑為m（b）*2，與波長(zhǎng)的平方成反比因此在1310nm上的模式數(shù)為M=（850/1310）2×1000=421 （c）在1550nm上的模式數(shù)為M=（850/1550）2×1000=3002. 階躍型光纖，若n1=，0=m，（1） =，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑a應(yīng)取多大（2） 若取芯徑a=5m，保證單模傳輸

2、時(shí)，應(yīng)怎樣選擇解：（1）根據(jù)，單模傳輸要求 解得到 m（3） 同樣用 得到 3. 一段12km長(zhǎng)的光纖線路，其損耗為km；（a） 如果在接收端保持W的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少（b） 如果光纖的損耗變?yōu)閗m，則所需的輸入光功率為多少解：（a）利用 ，得到=W （b） ，得到 =300W補(bǔ)充：答：光纖存在下列色散類型：（1） 模式色散（或模間色散）。是指同一波長(zhǎng)光信號(hào)中不同模式光線的傳播路徑和速度不同，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬，稱為模式色散，只存在于多模光纖中。（2） 模內(nèi)色散。是指同一個(gè)導(dǎo)波模式中不同波長(zhǎng)光線的傳播路徑和速度不同，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬，稱為模內(nèi)色散（或色度色散

3、）。模內(nèi)色散包含材料色散和波導(dǎo)色散兩類，其中：1） 材料色散是因光源光譜不純以及光纖石英材料的折射率隨波長(zhǎng)而變化這兩個(gè)原因所產(chǎn)生的模內(nèi)色散；2） 波導(dǎo)色散是因光源光譜不純以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響這兩個(gè)原因而產(chǎn)生的模內(nèi)色散。3） 材料色散和波導(dǎo)色散在單模光纖和多模光纖中都能夠存在。習(xí)題三5. 什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大答：（1） 對(duì)于一個(gè)二能級(jí)的原子系統(tǒng)，能級(jí)為E1和E2，且E1<E2 。（2） 熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料中價(jià)帶上的電子總數(shù)目N1>>導(dǎo)帶上的電子總數(shù)目N2，即低能級(jí)E1上的粒子數(shù)N1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2。（3） 當(dāng)高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2大于低能

4、級(jí)E1上的粒子數(shù)N1時(shí)，則粒子數(shù)實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。這一條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。（4） 當(dāng)照射在原子上的光波頻率滿足：hfc= E2-E1 時(shí)，原子在能級(jí)E1和E2間同時(shí)存在受激輻射和受激吸收。當(dāng)受激輻射超越受激吸收，占主導(dǎo)地位時(shí)，則導(dǎo)致能量為hfc的光子數(shù)的凈增加，入射的光信號(hào)得到了放大。6、什么是激光器的閾值條件。答：當(dāng)注入電流較小時(shí)，激活區(qū)不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位，激光器發(fā)射普通的熒光。隨注入電流量的增加，激活區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，諧振腔內(nèi)的增益還不足以克服損耗如介質(zhì)的吸收、鏡面反射不完全等引起的諧振腔的確損耗，不能在腔內(nèi)建立起振蕩，

5、激光器只發(fā)射較強(qiáng)熒光。只有當(dāng)注入電流大于閾值電流時(shí)，才能產(chǎn)生功率很強(qiáng)的激光。9、一個(gè)GaAs PIN光電二極管平均每三個(gè)入射光子，產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。假設(shè)所有的電子都被收集。a試計(jì)算該器件的量子效率；b當(dāng)在m波段接收功率是10-7W時(shí)，計(jì)算平均輸出光電流；c計(jì)算波長(zhǎng)，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過(guò)此波長(zhǎng)時(shí)將停止工作，即長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)c。解：a、=1/3=%b、由和可得到 Ip=×10-8 AC、 而由表，知= eV，則波長(zhǎng)截止點(diǎn)c=hc/=m10、 什么是雪崩增益效應(yīng)解：光生載流子穿過(guò)一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)的高場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞在價(jià)帶的電子上使

6、之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對(duì)，這種載流子倍增的機(jī)理稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效應(yīng)。習(xí)題四1. 光纖的連接損耗有哪些如何降低連接損耗解：連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損耗。外部損耗是由于光纖之間的連接錯(cuò)位引起的損耗，主要有軸向位移、連接間隔、傾斜位移、截面不平整。內(nèi)部損耗主要是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的損耗，包括纖芯的直徑、纖芯區(qū)域的橢圓度、光纖的數(shù)值孔徑、折射率剖面等。采用較好的連接方法，改善連接器的性能，可以降低連接損耗。2試用2×2耦合器構(gòu)成一個(gè)8×8空分開(kāi)關(guān)陣列，畫(huà)

7、出連接圖和輸入輸出端口信號(hào)間流向，計(jì)算所需開(kāi)關(guān)數(shù)。解：N=8，M=1123456781213415162171821習(xí)題六5. 假定接收機(jī)工作于1550nm，帶寬為3GHz，前置放大器噪聲系數(shù)為4dB，接收機(jī)負(fù)載為RL=100，溫度T=3000K，量子效率為=1，=1.25A/W，Gm=1，試計(jì)算接收機(jī)靈敏度。解：Fn dB=4dB，所以，F(xiàn)n= 對(duì)于BER=10-12，7； =1= 習(xí)題七6 已知一個(gè)565Mbit/s單模光纖傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體要求如下：（1）光纖通信系統(tǒng)光纖損耗為km，有5個(gè)接頭，平均每個(gè)接頭損耗為，光源的入纖功率為-3dBm，接收機(jī)靈敏度為-56dBm（BER=10-10）。（2）光纖線路上的線路碼型是5B6B，光纖的色散系數(shù)為2ps/（kmnm），光源光譜寬度，求：最大中繼距離為多少注：設(shè)計(jì)中選取色散代價(jià)為1dB，光連接器損耗為1dB（發(fā)送和接收端個(gè)一個(gè)），光纖富余度為km，設(shè)備富余度為。解：（1）功率限制中繼距離為：-3-（-56）=0.1L+1+12+0.1L+，得到L=217.